Japanischer Detektor für dunkle Materie verzeichnet einen „überraschenden Überschuss an Ereignissen“

Dunkle Materie ist bekanntlich schwer zu entdecken. So schwierig, dass wir es noch nicht entdeckt haben. Beweise für dunkle Materie sind in allem zu sehen, von der Lichtverzerrung in der Nähe von Galaxien bis hin zu der Art und Weise, wie sich Galaxien zusammenballen. Wir sind uns ziemlich sicher, dass dunkle Materie real ist, aber wir wissen es auch kann nicht aus irgendeiner Art von Teilchen gemacht werden, die wir derzeit kennen. Aber eine neue Studie hat einige interessante Daten gefunden, die Beweise für dunkle Materie sein könnten oder nicht.

Was wir über Wechselwirkungen der Dunklen Materie wissen. Bildnachweis: Perimeter Institute

Eine zentrale Eigenschaft der Dunklen Materie ist, dass sie mit normaler Materie oder Licht nicht stark wechselwirkt. Da es im Kosmos die meiste Materie ausmacht, muss es fast unsichtbar sein, sonst hätten wir es längst gesehen. Aber es sollte auf subtile Weise mit normaler Materie interagieren, ähnlich wie Neutrinos mit Materie interagieren.

Neutrinos ignorieren meist reguläre Materie. Im Moment strömen jede Sekunde fast eine Billion Neutrinos durch Ihren Körper, und Sie werden es nie bemerken. Aber ab und zu kann ein Neutrino mit einem Atomkern kollidieren und dabei ein paar verstreute Photonen oder Elementarteilchen erzeugen. Diese Kollisionen sind so selten, dass Neutrino-Observatorien oft empfindliche Detektoren in großen Flüssigkeits- oder Eisregionen beinhalten. Da dunkle Materie in ähnlicher Weise mit regulärer Materie wechselwirken sollte, folgen Observatorien für dunkle Materie einem ähnlichen Design.

Ein hypothetisches Axion kollidiert mit Elektronen in XENON1T. Bildnachweis: SLAC National Accelerator Laboratory

Die XENON1T-Kollaboration ist ein solches Experiment zur Dunklen Materie. Tief unter der Erde vergraben, handelt es sich um ein Detektorarray, das mit einer Tonne gereinigtem flüssigem Xenon gefüllt ist. Das Projekt verwendet Xenon anstelle von Wasser, weil es nach schweren Teilchen der Dunklen Materie, den sogenannten WIMPs, suchte. Wenn sie existieren, wären WIMPs viel schwerer als Neutrinos, was bedeutet, dass sie eine deutliche Signatur erzeugen würden, wenn sie mit normaler Materie kollidieren. XENON1T könnte also andere Streusignale effektiv ausblenden, um sich nur auf WIMPs zu konzentrieren.

Leider hat das Team keine WIMPs erkannt. Also optimierte das Team sein Experiment, um nach einer anderen Art von Teilchen der Dunklen Materie zu suchen als Axionen bekannt. Axionen wurden erstmals 1977 vorgeschlagen, um einige subtile Probleme in der Teilchenphysik zu lösen, aber ihre theoretischen Eigenschaften ähneln denen der Dunklen Materie.

Das Problem ist, dass ein Axion-Signal im XENON1T vielen anderen Signalen ähnlich wäre. Dinge wie der radioaktive Zerfall von Atomen im Detektor oder die gelegentliche Kollision von Neutrinos. Diese Effekte sind jedoch bekannt, sodass Sie die Anzahl der erwarteten Ereignisse berechnen können. Wenn Axionen real sind, sollten sie ein Übermaß an Ereignissen erzeugen. Es wäre ein Signal über dem Hintergrundrauschen. Genau das sah das Team.

Überzählige Ereignisse, die von XENON1T erkannt wurden. Bildnachweis: E. Aprile, et al

Sie können dies in einer Abbildung aus ihrem Papier sehen. Die rote Linie zeigt das erwartete Hintergrundsignal, während die schwarzen Balken die XENON1T-Daten darstellen. Es stimmt meistens überein, außer am unteren Energieende. Mathematisch gesehen ist es ein Überschuss von 3,5 Sigma. Es ist nicht hoch genug, um schlüssig zu sein, aber es ist mehr als genug, um interessant zu sein.

Dies ist zwar aufregend, aber die Autoren betonen, dass dies kein schlüssiger Beweis für dunkle Materie ist. Dies ist die Art von Signal, die Axionen erzeugen könnten, aber viele andere Dinge könnten ein ähnliches Signal erzeugen. Der Detektor könnte geringfügige Verunreinigungen aufweisen, z. B. Spuren von Wasserstoff-3. Es könnte auch einen astrophysikalischen Prozess geben, der Neutrinos produziert, obwohl dies weniger wahrscheinlich erscheint. Der Punkt ist, wir sollten vorsichtig sein. Wenn dies ein Axion-Signal ist, werden weitere Studien dies bestätigen.

Referenz:E. April et al. “ Beobachtung von übermäßigen elektronischen Rückstoßereignissen in XENON1T . 'arXiv-VordruckarXiv: 2006.09721 (2020).